авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Магнетронные распылительные системы и технологии нанесения энергосберегающих покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки

-- [ Страница 2 ] --

При неподвижном магнетроне на стеклах получалось покрытие типа оптического клина, позволяющие визуально оценить равномерность толщины покрытия на подложке. Пример полученных образцов приведен на рис.2. Наблюдалась клиновидная структура изменения толщины покрытий в вертикальном направлении. На левом образце рис. 2. в центре верхней части образца пленка имеет зеленый цвет, а в центре нижней части - синий. Вершина клина обращена к входу дрейфующих электронов в зону поворота. На монотонное изменение толщины покрытия накладываются её периодические изменения с периодом 25 – 30 см, которые не коррелировали с колебаниями магнитного поля на линейной части магнетрона. Однако, была обнаружена корреляция толщины пленки и свечения плазмы магнетронного разряда. Количество, положение и интенсивность неоднородностей свечения разряда зависели от давления в камере, состава газов и мощности распыления. Были проведены измерения плотности ионного тока на зонд, перемещаемый вдоль линейных частей зоны распыления на расстоянии 60 мм от поверхности катода. В области изменения направления дрейфа электронов величина тангенциальной компоненты магнитного поля Btr изменялась путем изменения расстояния между внутренними и внешними магнитами магнитной системы. На графиках распределения плотности ионного тока вдоль поверхности катода отчетливо прослеживалось ее изменение с периодом 25 – 30 см и тенденция к уменьшению ее величины в направлении дрейфа электронов. Максимумы свечения плазмы совпадали с максимумами плотности ионного тока на зонд и соответствовали областям покрытия с большей толщиной. Абсолютные максимумы толщины покрытия находились напротив зоны выхода дрейфового тока после прохождения поворота. Уменьшение Btr на 25% относительно поля на линейной части вело к увеличению числа максимумов ионного тока. Увеличение магнитного поля в области поворота усиливало неравномерность распределения плотности плазмы вдоль поверхности мишени. Фотографии разряда и полученные образцы покрытий свидетельствовали о том, что величина магнитного поля в области изменения направления дрейфа электронов оказывает влияние на равномерность распыления катода по всей его длине. На рис.3 приведены нормированные распределения плотности ионного тока насыщения на зонд вдоль сторон 1 и 2 и модуля плавающего потенциала вдоль стороны 1. Ионный ток насыщения и плавающий потенциал, измеренные вдоль стороны 1, изменяются в противофазе. Таким образом, над линейной частью зоны распыления формируются стоячие волны ионизации, в которых периодически изменяются концентрация плазмы и электронная температура. Наибольшая скорость распыления катода МРС наблюдается в областях, соответствующих выходу дрейфующих электронов из зоны поворота. Именно эти зоны является источником возмущения плазмы, формируя волны ионизации вдоль обеих сторон магнетрона. Квазипериодическое изменение плотности ионного тока насыщения вдоль сторон магнетрона отражает постепенное затухание этого возмущения. Причиной возникновения зон ускоренной эрозии вблизи поворотов, по-видимому, является разбалансировка магнитной системы в этих областях, имеющая место в любых конструкциях протяженных магнетронов и при любом расположении концевых магнитов. Проблема нанесения равномерных по толщине пленок оксида титана была решена использованием двух двухсторонних МРС, в которых направления дрейфа электронов были противоположны. Это вело к компенсации клиновидных неоднородностей толщины пленок наносимых каждым магнетроном. Проведенные исследования позволили запатентовать конструкцию магнетрона с вращающимся катодом, предназначенным для нанесения покрытий на одно стекло и имеющим высокую равномерность распыления катода.

В заключительной части главы описана технология нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла. Качество металлических слоев низкоэмиссионных покрытий существенно улучшалось при импульсном режиме работы МРС. Коэффициент отражения в ИК - диапазоне пленок серебра, полученных при скважности 6 на 10 – 15% превышал коэффициент отражения пленок, полученных на постоянном токе, при одной и той же прозрачности в видимом диапазоне. Контроль характеристик слоев и покрытия в целом осуществлялся регистрацией прозрачности двух стекол на выделенной длине волны. Стеклопакеты с низкоэмиссионным стеклом, произведенным по разработанной технологии, прошли испытания в сертификационных центрах Томска, Новосибирска, Омска, Красноярска.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментов по нанесению низкоэмиссионных покрытий со структурой диэлектрик-металл-диэлектрик на полимерную пленку ПЭТФ размером 70200 см2. Описывается состав экспериментальной установки и технологические источники, входящие в ее состав (МРС и ионный источник).

Приводятся результаты оптимизации структуры низкоэмиссионных покрытий на основе тонких пленок серебра и меди. Для защиты слоя серебра в процессе реактивного осаждения TiO2 вместо металлических барьерных слоев, которые, даже при толщине, составляющей несколько нанометров, заметно снижают прозрачность всего покрытия, использовались тонкие пленки оксида цинка, легированного галлием (ZnO:Ga). Эти пленки, наносимые распылением проводящего ZnO:Ga2 катода в атмосфере аргона, предотвращали окисление пленок серебра. Для улучшения оптических характеристик пленок серебра использовался импульсный режим работы МРС. Мгновенные значения скорости конденсации и плотности потока атомов на подложку в этом случае зависят от скважности импульсов напряжения, подаваемых на МРС. Была проведена серия экспериментов по определению оптимального значения скважности. Была получена серия образцов с покрытием структуры TiO2(10нм)/ZnO:Ga(20нм)/Ag(7.5нм)/ZnO:Ga(28нм)/TiO2(20нм). Изменяемым параметром являлась скважность импульсов напряжения при нанесении слоя серебра. Она менялась от 1 до 3.3 при постоянной средней мощности магнетронного разряда. Сравнение характеристик покрытий представлено на рис. 4. Поверхностное сопротивление уменьшается практически в 2 раза при увеличении скважности от 1 до 3.3. При скважности равной 2 многослойное покрытие имеет оптимальные характеристики. Минимальное поверхностное сопротивление Rsh = 20 Ом/, максимальное отражение в ИК диапазоне длин волн составляло 84 %. Прозрачность в видимом диапазоне Т= 79 %.

На отражение в ИК-области спектра и сопротивление покрытия оказывает влияние толщина второго слоя ZnO:Ga. При его недостаточной толщине (менее 20 нм) в процессе реактивного осаждения слоя TiO2 происходит окисление слоя серебра, приводящее к уменьшению отражения RИК (рис.5).

Толщина первого слоя TiO2 до 35 нм не оказывает большого влияния на итоговую прозрачность покрытия, поэтому для этого слоя была выбрана толщина 10 нм. Для второго слоя TiO2 оптимальной является толщина 20 нм, при которой прозрачность максимальна, а покрытие обладает требуемой влагостойкостью. Для первого слоя ZnO выбрана толщина 20 нм, а для второго 28 нм. При меньшей толщине второго слоя ZnO:Ga происходит окисление слоя серебра в процессе осаждения TiO2. Оптимальной с точки зрения прозрачности, отражения в ИК области и влагостойкости можно считать структуру низкоэмиссионного покрытия TiO2(10нм)/ZnO:Ga(20нм)/Ag(9нм)/ZnO:Ga(28нм)/TiO2(20нм). Ее прозрачность в видимом диапазоне составляет 82 %, отражение в ИК области 93 %. Структура обладает высокой влагостойкостью. Образцы с покрытием прошли тест на влагостойкость согласно ГОСТ 30733-2000 «Стекло с низкоэмиссионным твердым покрытием. Технические условия».

Эксперименты по нанесению низкоэмиссионного покрытия структуры TiO2/Cu/TiO2 показали, что, характеристики медного слоя не ухудшаются при последующем осаждении слоя TiO2 даже при отсутствии барьерных слоев. Толщина медного слоя составляла 11 нм и выбиралась из условия обеспечения максимальной прозрачности покрытия в видимом диапазоне при высоком (84-85%) отражении покрытия в ИК области. При нанесении слоя меди непосредственно на ПЭТФ пленку или ПЭТФ с подслоем TiO2 толщиной 20 нм, прозрачность покрытия составляет 44 % при отражении в ИК области 84-85%. Прозрачность достигает максимального значения (60 %) при толщине второго слоя оксида титана равной 60 нм.

Повышение импульсной мощности распыления существенно улучшает характеристики тонких металлических пленок. Известно, что экстремально высокая импульсная мощность достигается в сильноточных импульсных МРС. Поэтому была проведена серия экспериментов по исследованию характеристик сильноточного импульсного магнетронного разряда (СИМР) применительно к процессу нанесения тонких пленок меди в низкоэмиссионных покрытиях структуры TiO2-Cu- TiO2. Результаты этих экспериментов описываются в заключительной части четвертой главы.

Для исследований плазмы СИМР использовались два вида МРС: с дисковым катодом диаметром 100 мм и протяженная с прямоугольным катодом 100650 мм2. Материалом мишеней служили медь и титан. Эти материалы могут быть эффективно (до 80%) ионизованы при распылении в СИМР. Магнетрон с дисковой мишенью использовался для получения вольтамперных характеристик, зондовых измерений и спектральных измерений параметров плазмы СИМР. Протяженный магнетрон применялся для оценки равномерности плотности создаваемой плазмы СИМР по длине катода и в экспериментах по осаждению низкоэмиссионых покрытий.

Для практических целей осаждения низкоэмиссионных покрытий на подложки большой площади важно знать, каковы параметры плазмы и её равномерность в случае сильноточного импульсного магнетронного распыления протяженных катодов. Было измерено распределение плотности плазмы СИМР вдоль поверхности медного катода. Начиная с расстояния 10 см от края катода, распределение плотности плазмы было достаточно однородно (5%). Максимальное значение 1013 см-3 зафиксировано на расстоянии 8 см от поверхности мишени, на расстоянии 18 см от мишени плотность плазмы уменьшалась до 41012 см-3

Преимущество СИМР для технологий ионно-плазменного осаждения было показано на примере низкоэмиссионных покрытий TiO2/Cu/TiO2. На рис. 6 приведен спектр пропускания в видимом диапазоне низкоэмиссионного покрытия структуры TiO2(40нм)/Cu/TiO2(40нм) при напылении слоя Cu в сильноточном импульсном режиме. Импульсное напряжение разряда составляло 560 В, импульсный ток 240 А, частота 200 Гц, длительность импульса 100 мкс. Для сравнения там же приведен спектр покрытия с медным слоем, полученным с помощью среднечастотного магнетронного распыления (U= 540 В, Iимп = 10 А, f = 5 кГц). Прозрачность покрытия, медный слой которого нанесен с помощью СИМР, увеличивается до 67 %, при отражении в ИК 84 %. Причиной является более высокая плотность плазмы и степень ионизации распыленного материала в СИМР. Интенсивная ионная бомбардировка пленок в процессе их роста приводит увеличению подвижности адатомов на поверхности подложки и формированию более плотных пленок меди.

В пятой главе приводятся результаты экспериментов по нанесению электрохромных покрытий на стекло методом магнетронного распыления. Экспериментальная установка оснащалась МРС с внешней электромагнитной катушкой, позволяющей менять степень несбалансированности магнетрона. Целью экспериментов являлось создание полностью твердотельного ЭХУ, в котором все его функциональные слои наносятся методом магнетронного распыления. ЭХУ представляет собой многослойную структуру, состоящую из пяти слоев, наносимых на стеклянную подложку. Составные части устройства приведены на рис.7.

Пленки оксида вольфрама, получаемые при повышенных давлениях (0,75 Па) имели скорость окрашивания и обесцвечивания в 2-8 раз выше, чем пленки, наносимые при низких (0,2 Па) давлениях.

Для увеличения прозрачности пленок оксида никеля в неокрашенном состоянии, в рабочую смесь газов (аргон, кислород) добавлялся водород. Напыление пленок оксида в водородсодержащей атмосфере позволило увеличить их прозрачность до 90 %.

Важным элементом ЭХУ, во многом определяющим его характеристики, является слой оксида тантала Ta2O5, служащий электролитом. Оксид тантала является изолятором, а протонная проводимость появляется только при его гидратации. Удельная электропроводность гидратированного оксида тантала изменяется в широких пределах от 10 -6 до 10-10 См/см, в зависимости от условий получения. Электропроводность плёнок оксида тантала может быть оценена из результатов электрохимических измерений методом циклической вольтамперометрии.

С целью изучения влияния степени несбалансированности МРС на протонную проводимость наносимых пленок оксида тантала, были получены образцы структуры К-стекло-WO3-Ta2O5. Для всех исследуемых образцов слой оксида вольфрама толщиной 500 нм наносился в идентичных условиях. На слой оксида вольфрама наносилась пленки оксида тантала толщиной 450 нм при разных токах внешней электромагнитной катушки магнетрона. При токе 0,4 А реализовывалась несбалансированная конфигурация линий магнитного поля, при нулевом токе катушки магнетрон работал в слабо разбалансированном режиме, при токе минус 0,3 А конфигурация магнитного поля становилась сбалансированной. Плотность ионного тока на подложку в несбалансированном режиме (ток катушки 0,4 А) составляет 1 - 2 мА/см2, в сбалансированном режиме (ток катушки -0,3 А) плотность ионного тока уменьшается до 0,1 – 0,2 мА/см2.

Циклические вольтамперограммы (ЦВА) записывались по трехэлектродной схеме. Противоэлектродом служила платиновая сетка, электродом сравнения – хлорсеребряный электрод. Площадь погруженной в электролит (0,5 М водный раствор ацетата натрия) поверхности образца составляла 7,5 см2. На рис. 8 приведены примеры ЦВА, полученных при четырех значениях тока в электромагнитной катушке. В отрицательной области потенциалов для всех образцов наблюдается процесс восстановления оксида вольфрама, при этом происходит окрашивание слоя оксида вольфрама в голубой цвет (образование вольфрамовой бронзы). На восходящих ветвях кривых, в положительной области потенциалов, наблюдается пик окисления вольфрамовой бронзы, а затем ток близок к нулю вплоть до потенциала 1,5 В. При этом наблюдается обесцвечивание пленки оксида вольфрама.

Сравнение кривых, полученных при разных токах в катушке, показывает существенное уменьшение токов восстановления и окисления оксида вольфрама за счёт более низкой электропроводности оксида тантала, полученного в несбалансированном режиме. Общее сопротивление цепи может быть найдено как производная dU/di (для области потенциалов минус 0,7 0,8 В). Так как для всех образцов пленка оксида вольфрама была получена в идентичных условиях, различия в значениях сопротивления цепи определяются электропроводностью пленок оксида тантала. С учетом рабочей площади электрода и толщины пленки оксида тантала были рассчитаны значения его удельной электропроводности. Вклад в общее сопротивление цепи пленки оксида вольфрама для всех образцов составлял около 18 Ом и был измерен методом ЦВА при использовании в качестве рабочего электрода образца К-стекла только со слоем оксида вольфрама. Максимальное значение электропроводности =410-10 См/см было достигнуто в сбалансированном режиме работы МРС.

Зависимость удельной электропроводности пленок оксида тантала от тока внешней катушки магнетрона приведена на рисунке 9. Таким образом, использование сбалансированного режима работы магнетрона позволяет увеличить скорость реакции обмена, что также будет приводить к уменьшению времени окрашивания и обесцвечивания ЭХУ.

В заключительной части главы описывается метод изготовления твердотельного ЭХУ. Толщина электрохромных слоев оксида никеля и оксида тантала составляла 200 нм. Толщина оксида тантала – 600 нм. Устройство размером 7,57,5 см2 обладало прозрачностью в неокрашенном состоянии 77 %, в полностью окрашенном 38 %. Время окрашивания – 700 с, время обесцвечивания - 80 с.

Основные результаты и выводы по работе:

1. Разработана технологическая установка периодического действия для нанесения энергосберегающих низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла размером 1,62,5 м2. Производительность установки - 4000 м2 стекла с покрытием в месяц.

2. Проведено исследование протяженных магнетронных систем с цилиндрическим катодом. Впервые экспериментально показано, что конфигурация магнитного поля в области поворота магнитной системы двухсторонней МРС с цилиндрическим катодом влияет на равномерность плотности плазмы магнетронного разряда (равномерность распыления катода) не только в области непосредственно за поворотом, но и по всей длине катода. Области изменения направления дрейфового тока электронов являются источником возмущения плазмы разряда и определяют квазипериодическую структуру изменения концентрации плазмы магнетронного разряда.

3. Разработана технология нанесения энергосберегающих низкоэмиссионных покрытий структуры оксид/металл/оксид на архитектурные стекла, включающая в себя процессы предварительной очистки стекла, нанесения функциональных слоев, спектрального контроля характеристик покрытия во время его нанесения.

4. Создана экспериментальная установка для магнетронного нанесения энергосберегающих низкоэмиссионных покрытий на полимерную пленку размером 70200 см2.

5. Разработана структуры многослойных энергосберегающих низкоэмиссионных покрытий на основе медных и серебряных тонких пленок, обладающие высокой стойкостью к воздействию влаги. Покрытия не требуют особых условий для транспортировки и хранения, могут быть использованы вне герметичных стеклопакетов.

6. Показана перспективность использования качестве барьерных слоев в структуре энергосберегающего низкоэмиссионного покрытия с серебряным слоем тонких пленок легированного галлием оксида цинка. Пленки легированного галлием оксида цинка наносятся магнетронным методом из проводящей керамической (ZnO:Ga2O3) мишени в атмосфере аргона. Полученные низкоэмиссионные покрытия обладают повышенной влагостойкостью.

7. Экспериментально показано, что медный слой низкоэмиссионного покрытия, нанесенный методом СИМР обладает большей прозрачностью в видимом диапазоне по сравнению с полученным традиционным магнетронным распылением, при одинаковом отражении в ИК-диапазоне.

8. На основе полимерных пленок с энергосберегающим низкоэмиссионным покрытием созданы и испытаны тепловые экраны, увеличивающие приведенное сопротивление теплопередаче стандартного окна с 0,38 до 0,73 м2°С/Вт.

9. В лабораторном масштабе разработан магнетронный метод получения на стекле многослойного твердотельного электрохромного устройства. Все функциональные слои ЭХУ наносятся магнетронным распылением.

10. Показано, что степень несбалансированности магнетрона оказывает существенное влияние на ионную проводимость оксида тантала. Использование сбалансированной конфигурации магнитного поля магнетрона позволяет в 4 раза увеличить удельную электропроводность пленок оксида тантала в сравнении с пленками, полученными в несбалансированном режиме.

Основные публикации по теме диссертации.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.